蓝牙5技术在物联网中的应用

蓝牙标准的最新版本Bluetooth 5将提供广泛的增强功能，例如更长的距离，更高的速度以及对无连接服务的扩展支持。这是对当今蓝牙4.2技术的重大升级，并将为智能环境开辟新的物联网应用。

此举使公司和开发人员能够实现可访问，可互操作的物联网。新标准通过将数据速率降低到500 Kbps和250 Kbps来指定具有现有设备范围四倍的模式，以允许在家中可靠地使用更多传感器。该范围不仅允许控制器和传感器之间的距离更远，而且还为终端设备提供更强大的链路。它还允许两倍的数据速率达到2 Mbps，以便从监视器或无线扬声器获得更高质量的音频流，从而改善用户体验。

市场研究估计蓝牙将超过三分之一到2020年所有已安装的物联网设备，由智能手机中无处不在的实施作为控制器驱动。然而，智能手机中作为控制器或用于流式传输到无线耳机的蓝牙5芯片的要求与物联网的要求非常不同。这些物联网应用还需要更复杂的电源管理，以最大限度地延长系统的电池寿命，因此优化的DC-DC转换器是SoC中越来越常见的元件。

现在交付给芯片设计人员的设计可以容纳物联网SoC设备的要求。例如，RivieraWaves蓝牙IP平台由硬件基带控制器，数字调制解调器和详细的软件协议栈组成。堆栈包括直到GAP/GATT的链路层以及一组服务和配置文件。 Riviera技术已经用于恩智浦前几代蓝牙4.2设备，如MKW31Z256。

图1：由开发的蓝牙5 IP RivieraWaves用于物联网的片上系统设备。

硬件基带控制器以Verilog IP包的形式提供。它执行分组编码/解码和帧调度，并由硬件AES128加密引擎补充。软件堆栈作为C代码IP包提供，包含链路层，L2CAP，ATT，SMP，GAP/GATT，服务和配置文件，可由芯片开发人员修改。

图2：RivieraWaves的蓝牙5 IP协议栈。

BLE模式与蓝牙双模式不同，蓝牙双模式协议栈包括智能手机中的行业标准HCI接口。灵活的无线电接口允许平台与RivieraWaves RF IP或各种合作伙伴的RF IP一起部署，从而实现铸造和工艺节点的最佳选择。

另一家IP供应商Mindtree与德克萨斯州合作将蓝牙4.2堆栈放入CC1350处理器的仪器。它将灵活的低功耗RF收发器与48MHzARM®Cortex®-M3微控制器相结合，专为多个物理层和RF标准而设计，使蓝牙5的升级变得相对简单。用于无线电的2 Mbps GFSK调制方案可显着提高用户的系统吞吐量，并且在硬件中实现相对简单。

堆栈在专用Cortex-M0上运行，作为处理的无线电控制器存储在ROM或RAM中的低级RF协议命令。用于物联网的传感器可由专用的自主超低功耗控制器处理，该控制器可配置为处理模拟和数字传感器，允许主Cortex-M3内核保持睡眠模式。电源，时钟管理和无线电系统需要通过软件进行特定配置和处理才能正常运行，这已在专用的实时操作系统（TI-RTOS）中实现。这也将被更新以包括蓝牙5的新功能。

这包括将广告包扩展到237字节，这打开了用于广告的数据信道，并且还引入了周期性广告的概念。

Mindtree还与Synopsys合作，为4.2on TSMC的55 nm和180 nm工艺开发完整的蓝牙智能IP设计。这将Synopsys物理IP与Mindtree的BlueLitE链路层和软件堆栈IP相结合，为芯片设计人员提供了完整的BLE模块，可最大限度地降低面向物联网应用的超低功耗片上系统（SoC）的风险和集成难题。 Synopsys的PHY IP工作电压低于1伏电源，可延长电池寿命，并具有集成的天线匹配网络，可确保天线与信号源之间的正确信号传输，从而降低外部元件成本。

蓝牙5现在正在设备中实施。例如，Nordic Semiconductor的nRF52系列SoC器件是一系列超低功耗多协议SoC，采用32位ARM Cortex-M4F内核，1 MB闪存和256 kB RAM片内存。最新的嵌入式2.4 GHz收发器支持所有硬件中的Bluetooth5低能量数据速率，从新的2 Mbps和现有1 Mbps速率到500 kbps和125 kbps的蓝牙5长距离速率。该无线电支持高分辨率RSSI测量和自动功能，以减少CPU负载，包括EasyDMA，用于分组数据和装配的直接存储器访问。 Nordic还直接为蓝牙5低能量提供协议栈 - 这些栈称为SoftDevices，而n40F52840则由S140 SoftDevice支持，这是一个蓝牙5预先认证的蓝牙低功耗协议栈。

图3：Nordic Semiconductor的nRF52开发板将允许评估最新的蓝牙5设备。

许多现有的蓝牙4.2设备已被评估考虑到下一代设计，物联网SoC中的蓝牙元件可以是芯片设计中相对较小的一部分。例如，在Cypress Semiconductor的CYBL11573中，大部分芯片专门用于外设处理，如图4所示。

图4：赛普拉斯半导体公司的大部分CVBL11573专门用于物联网应用中所需的传感器管理。

SoC的BLE子系统由链路层引擎和物理层组成。链路层引擎支持主角色和从角色，并实现时间关键功能，例如硬件加密以降低功耗，并提供最小的处理器干预和高性能。关键协议元素，例如主机控制接口（HCI）和链路控制，在固件中实现。这些是蓝牙5实现中发生变化的元素。

物理层也会更改以处理更高的2 Mbps数据速率。这已经使用GFSK调制，在将这些BLE分组的数字基带信号通过天线发送到空中之前将其转换为射频。在接收方向上，该块在执行GFSK解调之后将来自天线的RF信号转换为数字比特流。 RF收发器包含一个集成的平衡 - 不平衡转换器，它提供一个单端RF端口引脚，通过π匹配网络驱动50Ω天线端子。输出功率可在-18 dBm至+3 dBm范围内编程，以优化不同应用的电流消耗。

同样，Silicon Labs的EFR32MG系列蓝牙控制器可升级至蓝牙5.目前的系列使用40 MHz ARM Cortex-M4内核，具有可扩展的内存和无线电配置选项，均使用与脚印兼容的QFN封装。与其他物联网实施一样，12通道外设反射系统可实现外设的自主管理，而集成的2.4 GHz巴伦和功率放大器可提供高达19.5 dBm的发射功率。

结论

随着2017年初蓝牙5的推出，芯片开发商正在采用多种方法来提供针对物联网的片上系统设备的功能。使用来自RivieraWaves或MindTree等供应商的物理和软件IP可以让开发人员专注于额外的外围设备和芯片的电源管理，同时降低风险。其他人正在寻求在SoC设计中紧密集成蓝牙5功能，以增加额外功能或减小芯片尺寸。

这两种方法都为物联网节点设计人员提供了新功能。其低功耗，更长的范围和更高的数据速率使蓝牙5嵌入式开发人员能够轻松地为其物联网设备添加更复杂的无线连接。